基于STM32+手机APP设计的智能停车场系统
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基于STM32+手机APP设计的智能停车场系统
元器件：DHT11、MQ2、STM32F103C8T6、SG90舵机、RC522频射模块、HC-SR04超声波模块、OLED、wifi模块、LED灯、蜂鸣器
功能简介
1、进出停车场时需要刷卡，进行一个记时、计费的功能。
2、停车位配有超声波检测，主要识别车位是否被占用。
3、车位区域配有OLED显示屏，用户可以通过显示屏看到空闲车位。
4、车位配有车位灯。当用户找不到车位可以通过手机点亮车位灯
5、停车场配有温湿度检测和烟雾检测模块。当环境发生异常状态。会触动紧急报警。
6、停车场信息会通过Wi-Fi发送数据上传至阿里云。用户可以通过手机了解到停车场空闲车位和停车时间、费用。
摘要
本文详细介绍了一种基于 STM32 的智能停车场管理系统的设计与实现。该系统结合了多种传感器和通信技术，实现了停车场的智能化管理，包括车辆进出计时计费、车位占用检测、空闲车位显示、车位灯控制、环境监测以及数据上传等功能。本文对系统的硬件设计和软件设计进行了深入探讨，阐述了各模块的工作原理和实现细节。
关键词：STM32；智能停车场；传感器；通信技术
一、引言
随着城市化进程的加速，汽车数量不断增加，停车场的管理变得越来越重要。传统的停车场管理方式存在效率低下、人工成本高、信息不透明等问题。为了解决这些问题，智能停车场管理系统应运而生。本文设计的智能停车场管理系统采用了 STM32 微控制器作为核心，结合了多种传感器和通信技术，实现了停车场的智能化管理，提高了停车场的运营效率和用户体验。
二、系统总体设计
（一）系统功能需求
- 进出停车场时需要刷卡，进行计时、计费的功能。
- 停车位配有超声波检测，识别车位是否被占用。
- 车位区域配有 OLED 显示屏，用户可以通过显示屏看到空闲车位。
- 车位配有车位灯。当用户找不到车位可以通过手机点亮车位灯。
- 停车场配有温湿度检测和烟雾检测模块。当环境发生异常状态，会触动紧急报警。
- 停车场信息会通过 Wi-Fi 发送数据上传至阿里云。用户可以通过手机了解到停车场空闲车位和停车时间、费用。
（二）系统总体架构
系统主要由 STM32 最小系统、DHT11 模块、MQ - 2 模块、SG90 舵机、OLED 显示模块、HC - SR04 超声波模块、RC522 频射模块、Wi - Fi 模块、LED 灯、蜂鸣器等组成。STM32 最小系统作为核心控制器，负责协调各模块的工作，实现数据的采集、处理和传输。DHT11 模块用于检测停车场的温湿度，MQ - 2 模块用于检测烟雾浓度，SG90 舵机用于控制停车场的门，OLED 显示模块用于显示停车场的信息，HC - SR04 超声波模块用于检测车位是否被占用，RC522 频射模块用于刷卡识别车辆，Wi - Fi 模块用于将停车场的数据上传至阿里云，LED 灯用于指示车位的状态，蜂鸣器用于报警。
三、硬件设计
（一）STM32 最小系统
STM32 最小系统包括 STM32F103C8T6 芯片、时钟电路、复位电路、电源电路等。STM32F103C8T6 芯片是一款基于 ARM Cortex - M3 内核的微控制器，具有高性能、低功耗、丰富的外设接口等特点。时钟电路为芯片提供时钟信号，复位电路用于系统的复位，电源电路为系统提供稳定的电源。
（二）传感器模块
- DHT11 模块
- DHT11 是一款数字式温湿度传感器，它包括一个电容式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。
- 该模块通过 PA4 引脚与 STM32 连接，实现温湿度的检测。STM32 通过单总线协议与 DHT11 进行通信，发送起始信号后，DHT11 会返回温湿度数据。
- MQ - 2 模块
- MQ - 2 是一款半导体烟雾传感器，能够检测空气中的烟雾浓度。
- 它通过 PB0 引脚与 STM32 连接，将检测到的烟雾浓度模拟信号传输给 STM32 的 ADC（模数转换器），STM32 对模拟信号进行采样和转换，得到数字形式的烟雾浓度数据。
- HC - SR04 超声波模块
- HC - SR04 超声波模块用于检测车位是否被占用，它通过发射超声波并接收反射回来的超声波来测量距离。
- 该模块通过 PA6 和 PA7 引脚与 STM32 连接，PA6 作为 Trig 引脚，用于发送触发信号，PA7 作为 Echo 引脚，用于接收反射回来的超声波信号。STM32 通过精确计时超声波的发射和接收时间差，根据声速计算出车位与障碍物之间的距离。
（三）执行器模块
- SG90 舵机
- SG90 舵机用于控制停车场的门，通过 PA1 引脚与 STM32 连接。
- STM32 通过发送 PWM（脉冲宽度调制）信号控制舵机的角度，实现门的开关操作。PWM 信号的占空比决定了舵机的转角位置。
- OLED 显示模块
- OLED 显示模块用于显示停车场的信息，如空闲车位、温湿度、烟雾浓度等。
- 它通过 PB8 和 PB9 引脚与 STM32 连接，分别作为 SCL（串行时钟线）和 SDA（串行数据线）信号的输入输出引脚。STM32 通过 IIC（集成电路总线）协议与 OLED 显示模块进行通信，发送指令和数据，控制 OLED 显示相应的信息。
- LED 灯和蜂鸣器
- LED 灯用于指示车位的状态，通过 PB5 和 PB6 引脚与 STM32 连接。STM32 可以通过控制这两个引脚的电平高低来点亮或熄灭 LED 灯。
- 蜂鸣器用于报警，当烟雾浓度过高时，STM32 通过 PB7 引脚控制蜂鸣器发出警报声。
（四）射频模块
RC522 频射模块用于刷卡识别车辆，通过 PA3、PA2、PA1、PWM、VCC 和 GND 引脚与 STM32 连接。
当车辆进入停车场时，用户需要刷卡，RC522 频射模块读取卡片信息，并将信息通过 SPI（串行外设接口）或 IIC 等通信方式传输给 STM32 进行处理。
（五）Wi - Fi 模块
Wi - Fi 模块用于将停车场的数据上传至阿里云，通过 PA9 和 PA10 引脚与 STM32 连接。
STM32 通过串口与 Wi - Fi 模块进行通信，将停车场的信息（如空闲车位数量、停车时间、费用等）打包成特定的数据格式，发送给 Wi - Fi 模块，Wi - Fi 模块再将数据上传至阿里云服务器，用户可以通过手机 APP 或网页等方式访问阿里云服务器，获取停车场的实时信息。
四、软件设计
（一）操作系统选择
本系统采用了 UCOSIII 操作系统，它是一种实时操作系统，具有多任务管理、任务调度、中断管理等功能。UCOSIII 可以提高系统的实时性和可靠性，保证系统的稳定运行。
（二）任务划分
根据系统的功能需求，将系统划分为以下几个任务：
- 开始任务（start_task）：创建完任务二和任务三就删除自己。
- 任务一（task1_task）：亮灯，并打印出信息。
- 任务二（task2_task）：打印任务二执行信息。
- 任务三（task3_task）：收集超声波信息。
（三）任务实现
- 开始任务（start_task）
-
任务优先级为 3，堆栈大小为 128。
-
主要功能包括系统初始化、创建其他任务以及删除自身。
-
具体步骤如下：
- 进行系统初始化，包括时钟初始化、中断分组配置、串口初始化等。
- 初始化各个外设模块，如舵机、LED、蜂鸣器、ADC、DHT11、OLED、RC522、定时器等。
- 进入临界区，创建任务一、任务二和任务三。
- 退出临界区，删除开始任务自身。
在代码中，相关部分如下：
-
// 开始任务函数
void start_task(void *p_arg)
{
OS_ERR err;
CPU_SR_ALLOC();
p_arg = p_arg;
CPU_Init();
#if OS_CFG_STAT_TASK_EN > 0u
OSStatTaskCPUUsageInit(&err); // 统计任务
#endif
#ifdef CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN // 如果使能了测量中断关闭时间
CPU_IntDisMeasMaxCurReset();
#endif
#if OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN // 当使用时间片轮转的时候
// 使能时间片轮转调度功能，时间片长度为1个系统时钟节拍，既1 * 5 = 5ms
OSSchedRoundRobinCfg(DEF_ENABLED, 1, &err);
#endif
OS_CRITICAL_ENTER(); // 进入临界区
// 创建TASK1任务
OSTaskCreate((OS_TCB *) &Task1_TaskTCB,
(CPU_CHAR *) "Task1 task",
(OS_TASK_PTR) task1_task,
(void *) 0,
(OS_PRIO) TASK1_TASK_PRIO,
(CPU_STK *) &TASK1_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE) TASK1_STK_SIZE / 10,
(CPU_STK_SIZE) TASK1_STK_SIZE,
(OS_MSG_QTY) 0,
(OS_TICK) 0,
(void *) 0,
(OS_OPT) OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR,
(OS_ERR *) &err);
// 创建TASK2任务
OSTaskCreate((OS_TCB *) &Task2_TaskTCB,
(CPU_CHAR *) "task2 task",
(OS_TASK_PTR) task2_task,
(void *) 0,
(OS_PRIO) TASK2_TASK_PRIO,
(CPU_STK *) &TASK2_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE) TASK2_STK_SIZE / 10,
(CPU_STK_SIZE) TASK2_STK_SIZE,
(OS_MSG_QTY) 0,
(OS_TICK) 0,
(void *) 0,
(OS_OPT) OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR,
(OS_ERR *) &err);
// 创建TASK3任务
OSTaskCreate((OS_TCB *) &Task3_TaskTCB,
(CPU_CHAR *) "task3 task",
(OS_TASK_PTR) task3_task,
(void *) 0,
(OS_PRIO) TASK3_TASK_PRIO,
(CPU_STK *) &TASK3_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE) TASK3_STK_SIZE / 10,
(CPU_STK_SIZE) TASK3_STK_SIZE,
(OS_MSG_QTY) 0,
(OS_TICK) 0,
(void *) 0,
(OS_OPT) OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR,
(OS_ERR *) &err);
OS_CRITICAL_EXIT(); // 退出临界区
OSTaskDel((OS_TCB *) 0, &err); // 删除start_task任务自身
}- 任务一（task1_task）
-
任务优先级为 4，堆栈大小为 128。
-
主要功能包括控制车门开关、检测环境数据、处理车位占用信息以及显示停车场数据。
-
具体步骤如下：
- 进入临界区和退出临界区，目前临界区未进行具体操作。
- 根据车辆进出标志（car.in_out）控制车门开关。当车辆需要开关门时，根据报警标志（sys_flag.alarm）和车窗状态标志（sys_flag.window_flag）判断是否执行开门或关门操作，并更新相关标志和计时。
- 读取 MQ2 传感器的数据获取烟雾浓度（sys_dat.air），并通过 DHT11 读取温湿度数据（sys_dat.temp 和 sys_dat.humi）。
- 根据超声波检测结果更新车位占用标志（car._1_falg 和 car._2_falg）。
- 当车辆进出标志为 0 时，调用 OLED_Display 函数显示停车场数据。
- 根据烟雾浓度判断是否触发报警，控制蜂鸣器状态和危险信号标志位。
- 延时 1 秒。
在代码中，相关部分如下：
-
// task1任务函数
void task1_task(void *p_arg)
{
OS_ERR err;
CPU_SR_ALLOC();
p_arg = p_arg;
OS_CRITICAL_ENTER();
OS_CRITICAL_EXIT();
while (1)
{
if (car.in_out == 1) // 开关门
{
if (sys_flag.alarm == 0 && sys_flag.window_flag == 0) // 在关门状态下才能开门
{
SG90_angle(180); // 开门
sys_flag.window_flag = 1;
}
if (++car.window_time >= 3) // 开门间隔
{
if (sys_flag.alarm == 0 && sys_flag.window_flag == 1) // 在开门状态下才能关门
{
OLED_Clear(); // 清屏
SG90_angle(0); // 关门
sys_flag.window_flag = 0;
car.window_time = 0;
}
car.in_out = 0;
}
}
sys_dat.air = get_adc_value(ADC_Channel_8) / 40.96; // PB0 MQ2
DHT11_Read_Data(&sys_dat.temp, &sys_dat.humi); // PA4 温湿度检测
if (car.in_out == 0)
{
OLED_Display();
}
if (car.SR04_1 < 5)
{
car._1_falg = 1;
}
else
{
car._1_falg = 0;
}
if (car.SR04_2 < 5)
{
car._2_falg = 1;
}
else
{
car._2_falg = 0;
}
if (sys_dat.air > air_threshold) // 烟雾过高报警
{
BEEP_ON; // 危险报警
sys_flag.beep_flag = 1; // 蜂鸣器状态
sys_flag.alarm = 1; // 危险信号标志位
}
else
{
BEEP_OFF; // 消除危险报警
sys_flag.beep_flag = 0; // 蜂鸣器状态
sys_flag.alarm = 0; // 危险信号标志位
}
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 2, 0, OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT, &err); // 延时1s
}
}- 任务二（task2_task）
-
任务优先级为 5，堆栈大小为 512。
-
主要功能是处理刷卡信息，包括读取卡片 ID、记录车辆信息、计算费用和余额、更新车辆状态等。
-
具体步骤如下：
- 进入临界区和退出临界区，目前临界区未进行具体操作。
- 通过 RC522 射频模块进行刷卡操作，获取卡片信息。
- 判断刷卡是否成功，如果成功，则读取卡片 ID 并进行相关处理。
- 遍历记录的卡片信息数组，判断当前卡片是否已存在。如果已存在，根据车辆驶出或进入的标志进行相应的处理，包括计算费用、更新余额、上传数据等。如果是新卡，则将其信息记录到数组中，并设置相应的车辆状态和余额。
- 控制 OLED 显示相关信息，如卡号、车辆驶入或驶出状态、时间、费用、余额等。
- 遍历车辆信息数组，根据车辆状态更新时间信息。
- 发布 MQTT 消息，上传停车场数据。
- 延时 1 秒。
在代码中，相关部分如下：
-
// task2任务函数
void task2_task(void *p_arg)
{
OS_ERR err;
CPU_SR_ALLOC();
p_arg = p_arg;
int i;
u8 temp_buff[20] = {0}, temp = 0;
OS_CRITICAL_ENTER(); // 进入临界区
OS_CRITICAL_EXIT(); // 退出临界区域
while (1)
{
status = PcdRequest(REQ_ALL, TagType);
if (!status)
{
status = PcdAnticoll(SelectedSnr);
if (!status)
{
status = PcdSelect(SelectedSnr);
if (!status)
{
snr = 1; // 扇区号1
status = PcdAuthState(KEYA, (snr * 4 + 3), DefaultKey, SelectedSnr); // 校验1扇区密码，密码位于每一扇区第3块
{
if (!status)
{
status = PcdRead((snr * 4 + 0), buf); // 读卡，读取1扇区0块数据到buf[0] - buf[16]
if (!status)
{
OLED_Clear(); // 清屏
sprintf((char *)ID_Card, ":%d%d%d%d", SelectedSnr[0], SelectedSnr[1], SelectedSnr[2], SelectedSnr[3]);
OLED_ASCII_GB2312_Show(0, 2, "卡号"); // 显示4. 任务三（task3_task） - 任务优先级为 6，堆栈大小为 128。 - 主要功能是收集超声波信息，获取车位与障碍物之间的距离。 - 具体步骤如下： - 进入临界区和退出临界区，目前临界区未进行具体操作。 - 通过 SR04_1_DataMean 和 SR04_2_DataMean 函数获取两个超声波模块检测到的距离数据，并将其存储在 car.SR04_1 和 car.SR04_2 中。 - 延时 1 秒。 在代码中，相关部分如下： ```c // task3任务函数 void task3_task(void *p_arg) { OS_ERR err; CPU_SR_ALLOC(); p_arg = p_arg; OS_CRITICAL_ENTER(); // 进入临界区 OS_CRITICAL_EXIT(); // 退出临界区域 while (1) { car.SR04_1 = SR04_1_DataMean(); // 超声波的数据采集(平均值) car.SR04_2 = SR04_2_DataMean(); OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 0, OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT, &err); // 延时1s } }
（四）显示函数
-
OLED_Display函数用于显示停车场的数据，包括车位状态、车位灯状态、车门状态、烟雾浓度、温度和湿度等信息。 -
在函数中，通过
OLED_ASCII_GB2312_Show和OLED_ASCII_ShowString函数在 OLED 显示屏上显示相应的文字和数据。在代码中，相关部分如下：
// 显示停车场数据
void OLED_Display(void)
{
// OLED_ASCII_GB2312_Show(0, 0, "停车场系统"); // 显示英文,汉字字符串
OLED_ASCII_GB2312_Show(0, 0, "位"); // 显示英文,汉字字符串
sprintf(temp_buff[0], "1:%d", car._1_falg);
OLED_ASCII_ShowString(16, 0, temp_buff[0]);
OLED_ASCII_GB2312_Show(60, 0, "位"); // 显示英文,汉字字符串
sprintf(temp_buff[1], "2:%d", car._2_falg);
OLED_ASCII_ShowString(76, 0, temp_buff[1]);
OLED_ASCII_GB2312_Show(0, 2, "灯"); // 显示英文,汉字字符串
sprintf(temp_buff[2], "1:%d", sys_flag.led1_flag);
OLED_ASCII_ShowString(16, 2, temp_buff[2]);
OLED_ASCII_GB2312_Show(60, 2, "灯"); // 显示英文,汉字字符串
sprintf(temp_buff[3], "2:%d", sys_flag.led2_flag);
OLED_ASCII_ShowString(76, 2, temp_buff[3]);
OLED_ASCII_GB2312_Show(0, 4, "门"); // 显示英文,汉字字符串
sprintf(temp_buff[4], ":%d", sys_flag.window_flag);
OLED_ASCII_ShowString(16, 4, temp_buff[4]);
OLED_ASCII_GB2312_Show(60, 4, "烟"); // 显示英文,汉字字符串
sprintf(temp_buff[5], ":%d", (int)sys_dat.air);
OLED_ASCII_ShowString(76, 4, temp_buff[5]);
OLED_ASCII_GB2312_Show(0, 6, "温"); // 显示英文,汉字字符串
sprintf(temp_buff[6], ":%d", (int)sys_dat.temp);
OLED_ASCII_ShowString(16, 6, temp_buff[6]);
OLED_ASCII_GB2312_Show(60, 6, "湿"); // 显示英文,汉字字符串
sprintf(temp_buff[7], ":%d", (int)sys_dat.humi);
OLED_ASCII_ShowString(76, 6, temp_buff[7]);
}五、软件设计中的关键技术
（一）临界区保护
在 UCOS III 中，使用 OS_CRITICAL_ENTER 和 OS_CRITICAL_EXIT 宏来保护临界区。当一个任务或中断进入临界区时，它必须调用 OS_CRITICAL_ENTER 宏以获得临界区的保护，禁用中断，确保执行临界区的代码不会被中断或抢占，从而保证了临界区的原子性。当代码执行完毕时，任务或中断必须调用 OS_CRITICAL_EXIT 宏来恢复中断。
（二）任务优先级调度
UCOS III 使用抢占式调度，任务的执行顺序基于优先级。具有更高优先级的任务比低优先级的任务更可能得到调度。当有一个高优先级的任务就绪时，当前正在执行的任务将被中断并且高优先级任务将被执行。任务切换通常发生在任务主动调用相关函数退让 CPU 或中断服务程序执行时。
（三）传感器数据处理
对于 DHT11 传感器，通过特定的通信协议获取温湿度数据，并进行相应的处理和转换。对于 MQ - 2 传感器，将模拟信号通过 ADC 转换为数字信号，以获取烟雾浓度数据。对于 HC - SR04 超声波模块，通过精确计时超声波的发射和接收时间差，根据声速计算出距离。
（四）射频模块通信
RC522 频射模块通过特定的通信接口（如 SPI 或 IIC）与 STM32 进行通信，STM32 发送指令控制 RC522 进行刷卡操作，RC522 将读取到的卡片信息返回给 STM32 进行处理。
（五）数据显示与上传
OLED 显示模块通过特定的显示指令和数据格式进行控制，以显示停车场的各种信息。Wi - Fi 模块通过串口与 STM32 进行通信，STM32 将停车场的数据打包成特定的格式发送给 Wi - Fi 模块，Wi - Fi 模块再将数据上传至阿里云服务器。
六、系统测试与结果分析
（一）测试环境搭建
搭建实际的停车场测试环境，安装好各个硬件模块，连接好电路，确保系统正常运行。设置相关的测试设备，如模拟车辆进出的卡片、障碍物等。
（二）功能测试
- 车辆进出测试
- 测试刷卡功能，验证车辆能否正常进出停车场，计时计费是否准确。
- 检查车门开关控制是否正常，车窗状态标志是否正确更新。
- 车位检测测试
- 放置障碍物在车位上，测试超声波模块能否准确检测车位是否被占用。
- 验证 OLED 显示屏上的车位状态信息是否与实际情况相符。
- 环境监测测试
- 模拟不同的温湿度和烟雾浓度环境，测试 DHT11 和 MQ - 2 模块的检测准确性。
- 检查报警功能是否在烟雾浓度过高时正常触发。
- 数据上传测试
- 查看阿里云平台上是否能正常接收停车场的数据，包括空闲车位、停车时间、费用等信息。
- 验证手机 APP 能否实时显示停车场的相关信息。
（三）结果分析
通过对系统进行全面测试，各项功能均能正常实现。车辆进出计时计费准确，车位检测灵敏可靠，环境监测数据准确，报警功能正常，数据上传稳定。OLED 显示屏能够清晰显示停车场的各种信息，用户可以通过手机方便地了解停车场的情况。
七、结论
本文设计的基于 STM32 的智能停车场管理系统，通过合理的硬件设计和软件编程，实现了预期的功能。该系统具有较高的稳定性和可靠性，能够提高停车场的管理效率和用户体验。在实际应用中，还可以根据具体需求进行进一步的优化和扩展，如增加车位引导功能、实现远程控制等。未来，随着物联网技术的不断发展，智能停车场管理系统将具有更广阔的应用前景。
程序源码&原理图&设计原理&设计文档&演示视频&框图等
资料下载链接：
基于STM32+手机APP设计的智能停车场系统-程序源码&原理图&设计文档&演示视频&框图等（毕设/课设/竞赛/实训/项目等）资源-CSDN文库
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